Hva er tvillingparadokset? Sanntidsreiser

Tvillingparadokset er et tankeeksperiment som demonstrerer den nysgjerrige manifestasjonen av tidsutvidelse i moderne fysikk, slik det ble introdusert av Albert Einstein gjennom relativitetsteorien.

Tenk på to tvillinger, som heter Biff og Cliff. På 20-årsdagen deres bestemmer Biff seg for å komme seg inn i et romskip og ta av ut i verdensrommet, og nesten på reise lysets hastighet. Han reiser rundt i kosmos med denne hastigheten i omtrent 5 år, og returnerer til Jorden når han er 25 år gammel.

Cliff, derimot, forblir på jorden. Når Biff kommer tilbake viser det seg at Cliff er 95 år gammel.

I følge relativitet opplever to referanserammer som beveger seg annerledes fra hverandre tid annerledes, en prosess kjent som tidsutvidelse. Fordi Biff beveget seg så raskt, gikk tiden faktisk saktere for ham. Dette kan beregnes nøyaktig ved hjelp av Lorentz transformasjoner, som er en standard del av relativitet.

Det første tvillingsparadokset er egentlig ikke et vitenskapelig paradoks, men et logisk: Hvor gammel er Biff?

Biff har opplevd 25 år i livet, men han ble også født i samme øyeblikk som Cliff, som var for 90 år siden. Så er han 25 år eller 90 år gammel?

I dette tilfellet er svaret "begge deler"... avhengig av hvilken måte du måler alder. I følge førerkortet hans, som måler jordtid (og uten tvil er utløpt), er han 90 år. I følge kroppen hans er han 25. Verken alder er "riktig" eller "feil", selv om trygdeetaten kan ta unntak hvis han prøver å kreve ytelser.

Det andre paradokset er litt mer teknisk, og kommer virkelig til hjertet av hva fysikere mener når de snakker om relativitet. Hele scenariet er basert på ideen om at Biff reiste veldig raskt, så tiden gikk tregere for ham.

Problemet er at i relativitet er det bare den relative bevegelsen som er involvert. Så hva hvis du vurderte ting fra Biffs synspunkt, så ble han stående hele tiden, og det var Cliff som beveget seg bort i raske hastigheter. Bør ikke beregninger utført på denne måten bety at Cliff er den som eldes saktere? Innebærer ikke relativitet at disse situasjonene er symmetriske?

Hvis Biff og Cliff hadde vært på romskip som kjørte i konstante hastigheter i motsatte retninger, ville dette argumentet være helt sant. Reglene for spesiell relativitet, som styrer konstante hastighets (treghet) referanserammer, indikerer at bare den relative bevegelsen mellom de to er det som betyr noe. Faktisk, hvis du beveger deg med konstant hastighet, er det ikke engang et eksperiment du kan utføre innenfor referanserammen din som vil skille deg fra å være i ro. (Selv om du så utenfor skipet og sammenlignet deg selv med en annen konstant referanseramme, kunne du bare bestemme det en av dere beveger seg, men ikke hvilken.)

Men det er en veldig viktig skille her: Biff akselererer under denne prosessen. Cliff er på jorden, som for dette formål i utgangspunktet er "i ro" (selv om jorden i virkeligheten beveger seg, roterer og akselererer på forskjellige måter). Biff er på et romskip som gjennomgår intensiv akselerasjon for å lese i nærheten av lyshastighet. Dette betyr iht generell relativitet, at det faktisk er fysiske eksperimenter som kan utføres av Biff som vil avsløre for ham at han akselererer... og de samme eksperimentene ville vise Cliff at han ikke akselererer (eller i det minste akselererer mye mindre enn Biff er).

Den viktigste funksjonen er at mens Cliff er i en referanseramme hele tiden, er Biff faktisk i to referanserammer - den der han reiser bort fra Jorden og den der han kommer tilbake til Jord.

Så Biffs situasjon og Cliffs situasjon er ikke faktisk symmetrisk i vårt scenario. Biff er absolutt den som gjennomgår den mer betydelige akselerasjonen, og derfor er han den som gjennomgår minst mulig tid.

Dette paradokset (i en annen form) ble først presentert i 1911 av Paul Langevin, der vektleggingen understreket ideen om at akselerasjon seg selv var nøkkelelementet som forårsaket skillet. Etter Langevins syn hadde akselerasjon derfor en absolutt mening. I 1913 demonstrerte imidlertid Max von Laue at de to referanserammene alene er nok til å forklare skillet, uten å måtte redegjøre for akselerasjonen i seg selv.